강자성

3. 강자성 물질

강자성은 철, 니켈, 코발트와 그 합금, 그리고 희토류 원소의 합금 등 몇몇 물질에서 나타나는 특이한 성질이다. 이는 단순히 물질의 화학적 구성뿐만 아니라 결정 구조와 미세 구조의 특성이기도 하다. 프리츠 하우슬러의 이름을 딴 하우슬러 합금과 같이 구성 성분 자체는 강자성이 아니지만 강자성을 띄는 금속 합금이 있다. 반대로, 스테인리스강처럼 강자성 금속으로 구성되었지만 비자성인 합금도 존재한다.

비정질(비결정질) 강자성 금속 합금은 합금을 매우 빠르게 담금질(냉각)하여 만들 수 있다. 이러한 합금은 낮은 보자력, 낮은 히스테리시스 손실, 높은 투자율 및 높은 전기 저항을 가진다. 이러한 전형적인 물질 중 하나는 약 80%의 전이 금속(일반적으로 Fe, Co 또는 Ni)과 녹는점을 낮추는 준금속 성분(B, C, Si, P 또는 Al)으로 만들어진 전이 금속-준금속 합금이다.

희토류 자석은 예외적으로 강한 강자성을 띄며, 란타넘족 원소를 포함한다.

수많은 악티늄족 화합물은 상온이나 퀴리 온도 이하의 온도에서 강자성체가 된다. 예를 들어 PuP는 퀴리 온도(T_c = 125 K) 이하에서 격자 구조에 뒤틀림이 발생하여 육방정계로 왜곡된다.^[24] NpFe₂의 경우 자화용이축은 <111>이다.^[26]

최근 연구는 전류 또는 전압에 의해 일부 물질에서 강자성을 유도할 수 있음을 보여준다. 반강자성 LaMnO₃ 및 SrCoO는 전류에 의해 강자성으로 전환되었다. 2020년 7월, 과학자들은 풍부한 반자성 물질인 황철석("fool's gold")에 인가된 전압으로 강자성을 유도했다고 보고했다.^[15][16]

3. 1. 주요 강자성체 및 퀴리 온도

오른쪽 표는 강자성 및 준강자성체 혼합물과 그 퀴리 온도를 정리한 것이다. 퀴리 온도는 자발적인 자화 현상이 일어나지 않는 임계 온도로, 이 온도보다 높은 온도에서는 자발적인 자화를 보이지 않는다.

4. 강자성에 대한 설명

보어-판레이우언 정리에 따르면 자성은 고전 물리학으로는 설명할 수 없다. 즉, 양자역학을 배제한다면 반자성, 상자성, 강자성을 설명하는 것은 불가능하다.^[17] 강자성은 양자역학에서 등장하는 두 가지 효과인 스핀과 파울리 배타 원리의 직접적인 영향을 받아 발생한다.

자성체는 자기장을 걸면 자기를 띠는 물질인데, 반자성, 상자성, 강자성의 세 종류가 있다. 여기서는 강자성체가 왜 강자성을 띠는지에 중점을 두고 관련 현상을 설명한다.

원자 궤도상의 스핀을 가진 전자가 홀전자 또는 쌍전자인지에 따라 자기가 발생하는지 여부가 결정되는 양자론적 모델과는 다른 관점도 있다. 모든 원자가 독립적으로 스핀 자석을 가지고 있으며, 그 원자들 사이에 어떤 정해진 규칙이 존재한다고 가정함으로써, 반자성, 상자성, 강자성의 차이를 설명하는 모델이다. 반자성을 나타내는 물질은 내부 원자들 사이에서 가장 가까운 원자들끼리 스핀 자석이 반대 방향으로 작용하는 상호 작용이, 강자성을 나타내는 물질은 내부 원자들이 서로의 스핀 자석에 상호 작용한다는 이론이다. 이것이 교환 상호작용이다.

4. 1. 자기의 유래

4. 2. 교환 상호작용

4. 3. 자기 이방성

4. 4. 자기 구역 (Magnetic Domain)

5. 퀴리 온도 (Curie Temperature)

온도가 증가할수록 열 운동이나 엔트로피가 증가하는데, 이는 자기 쌍극자가 정렬하려는 강자성의 경향에 반하는 것이다. 퀴리 온도라고 하는 특정 온도를 넘어서면, 2차 상전이가 일어나면서 계는 더 이상 자발적인 자화를 유지할 수 없게 된다. 이 상태에서도 여전히 외부 자기장에 대한 상자성적인 반응을 나타낸다. 퀴리 온도 아래에서는 자발 대칭 깨짐이 발생하며 외부 자기장이 없는 상황에서 무작위적으로 자기 구역들이 발생한다. 퀴리 온도는 자기 감수율이 이론적으로 무한대가 되는 임계점으로, 알짜 자화는 0이지만 자기 구역과 비슷한 스핀의 상관 계수가 모든 길이 단위에 대하여 요동치는 온도이다.

간소화한 이징 스핀 모형을 통한 강자성 물질의 상전이에 대한 연구는 통계 물리학의 발전에 중요한 영향을 주었다. 이 연구는 평균장 이론 접근 방식으로는 임계점에서의 변화를 올바르게 예측할 수 없다는 것을 밝혀내었고, 재규격화 군 이론으로 대체되어야 함을 보여주었다.

강자성체는 어떤 온도 이상이 되면 스핀이 각각 무질서한 방향을 향하여 정렬되지 않고 상자성을 나타내게 된다. 이 전이 온도를 '''퀴리 온도'''(Curie Temperature, 퀴리점이라고도 함)라고 부른다.

퀴리 온도 이상에서는, 자화율(대자율)을 $\backslash chi$, 절대온도를 ''T'', 상자성 퀴리 온도를 $\backslash theta\_p$로 했을 때,

:$\backslash chi\; =\; \backslash frac\{C\}\{T\; -\; \backslash theta\_p\}$

가 된다. 이것을 퀴리-바이스 법칙(Curie-Weiss law)이라고 부른다. ''C''는 비례상수이며, 이것은 퀴리 상수라고 불린다.

2004년에 탄소 동소체의 하나인 탄소나노폼으로 이루어진 강자성체가 발표되었다. 상온에서는 수 시간 후에 그 현상이 사라졌지만, 저온에서는 더 오래 지속되었다. 그 물질은 반도체이기도 하며, 붕소와 질소의 등전자 화합물을 비롯한 비슷한 성질의 물질도 강자성체일 것이라고 생각된다. ZnZr₂라는 합금도 2.85만°C에서는 강자성체가 된다.

6. 강자성체의 종류

역사적으로 '강자성'이라는 용어는 외부 자기장이 없을 때 자발적인 자화를 나타내는 모든 물질을 통칭하는 데 사용되었다. 그러나 최근에는 물질의 기본 셀에 하나 이상의 자성 이온이 있을 때 다른 종류의 자발적 자화가 발생한다는 사실이 밝혀지면서, 강자성과 준강자성을 구별하는 더 엄격한 정의가 사용되기도 한다.

좁은 의미에서 강자성 물질은 모든 자성 이온이 알짜 자화에 양의 효과를 낼 때를 의미한다. 만약 자성 이온의 일부가 알짜 자화에 음의 효과를 준다면 (즉, 자화 방향에 부분적으로 반대로 정렬될 때) 그 물질은 준강자성이라고 부른다. 자기장에 대해 같은 방향으로 정렬된 이온과 반대 방향으로 정렬된 이온의 모멘트가 완전히 균형을 이루어 알짜 자화를 0으로 만든다면 그 물질은 반강자성체이다. 이러한 물질들은 특정 온도(강자성과 준강자성의 경우 퀴리 온도, 반강자성의 경우 네엘 온도) 이하에서만 자기장에 의해 자성 이온이 정렬되는 현상이 나타난다.^[3]

1948년 루이 넬은 이러한 현상이 두 가지 수준의 자기 정렬로 인해 발생한다는 것을 보여주었다. 하나는 모든 자기 모멘트가 정렬되는 강자성이고, 다른 하나는 일부 자기 모멘트가 반대 방향으로 향하지만 기여도가 작아 자발 자화가 나타나는 페리자성이다.^[4][5]

반대되는 모멘트가 완전히 균형을 이루는 특수한 경우, 정렬은 반강자성으로 알려져 있으며, 자발 자화를 갖지 않는다.

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내부 층마다 자성의 방향이 회전하듯이 어긋나면서 나선형으로 변화하는 자성체를 나선형 자성체라고 한다. 희토류 금속에서 그 예를 볼 수 있다. 스핀의 프러스트레이션을 최소화하려는 자기 조직화의 결과로 가장 안정된 배향을 갖게 된 것이 나선형 구조이다.

7. 강자성체의 응용

강자성체는 고체 상태에서 주로 전동기, 발전기, 변압기 등에 사용되는 자석으로 활용된다. 분체(粉體) 상태의 자기 성분은 테이프에 도포되어 음성, 영상 신호의 자기 기록에 이용된다. 아세테이트 필름이나 하드 디스크 원판에 도포된 자기 성분은 컴퓨터의 플로피 디스크나 하드 디스크 장치용 데이터 저장에 활용된다. 최근에는 나노 기술의 발달로 강자성 나노 입자, 나노 와이어, 박막 등의 형태로 제작되어 스핀트로닉스, 자기 센서, 바이오 메디컬 분야 등에서 새로운 응용 가능성을 보여주고 있다.

참조

_[1] 서적 Physics of ferromagnetism Oxford University Press
_[2] 서적 Ferromagnetism IEEE Press
_[3] 서적 Encyclopedia of surface and colloid science Taylor & Francis 2006
_[4] 서적 Introduction to Magnetic Materials John Wiley & Sons 2011
_[5] 서적 Introduction to the theory of ferromagnetism Oxford University Press 2000
_[6] 서적 Introduction to Solid State Physics John Wiley and Sons
_[7] 학술지 Wherefore Gadolinium? Magnetism of the Rare Earths http://www.irm.umn.e[...] Institute for Rock Magnetism 2016-08-08
_[8] 학술지 Why Are There so Few Magnetic Ferroelectrics? 2000-07-01
_[9] 학술지 Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state
_[10] 학술지 Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn₂, NpFe₂, NpCo₂, and NpNi_2
[11] 학술지 Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe₂, and NpNi₂ http://hal.archives-[...] 1979-04-01
_[12] 학술지 Itinerant Ferromagnetism in a Fermi Gas of Ultracold Atoms
_[13] 학술지 Anionogenic Ferromagnets https://pure.rug.nl/[...] American Chemical Society (ACS)
_[14] 학술지 Demonstration of Ru as the 4th ferromagnetic element at room temperature
_[15] 뉴스 'Fool's gold' may be valuable after all https://phys.org/new[...] 2020-08-17
_[16] 학술지 Voltage-induced ferromagnetism in a diamagnet 2020-07-01
_[17] 서적 The Feynman Lectures on Physics, Vol. 2 https://feynmanlectu[...] Addison-Wesley
_[18] 서적 Physics of ferromagnetism Oxford University Press
_[19] 학술지 Theoretical study on copper's energetics and magnetism in TiO₂ polymorphs
_[20] 학술지 Structural and magnetic properties of a BaFe12O19/NiFe2O4 nanostructured composite depending on different particle size ratios https://www.scienced[...] 2022-04-01
_[21] 서적 Introduction to the Theory of Ferromagnetism https://archive.org/[...] Clarendon Press
_[22] 서적 The Feynman Lectures on Physics https://books.google[...] California Inst. of Technology
_[23] 문서 라틴어 ferrum의 어원
_[24] 학술지 Neutron diffraction study of PuP: The electronic ground state
_[25] 학술지 Lattice distortions measured in actinide ferromagnets PuP, NpFe₂, and NpNi₂ http://hal.archives-[...]
_[26] 학술지 Magnetic properties of neptunium Laves phases: NpMn₂, NpFe₂, NpCo₂, and NpNi₂